радиометрия

11

Рис. 6. Дисперсия света в трехгранной призме

Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсион-

ного спектра, называется углом дисперсии; от него зависит ширина спектра.

Лабораторные рефрактометры

Рис. 7. Рефрактометры ИРФ-454 а) и ИРФ-456 (Карат) б)

12

Универсальные лабораторные рефрактометры ИРФ-454 Б2М (ИРФ-456

Карат) – высокоточные оптические приборы (рис. 7, а, б), предназначенные для определения показателя преломления, величины дисперсии жидкостей, твер-

дых тел, а также для определения содержания сахара (глюкозы) в водных рас-

творах. Принцип действия рефрактометра основан на явлении полного внут-

реннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с раз-

ными показателями преломления. Рефрактометр оснащен проточной измери-

тельной ячейкой; возможно проведение измерений в широком температурном интервале от 10 до 60ºС; встроенный термометр позволяет контролировать температуру с точностью до 1ºС. Приспособлен для работы как в прямом, так и в отраженном свете (т.е. для исследования прозрачных, окрашенных и мутных сред соответственно). Рефрактометрический метод чрезвычайно прост, обеспе-

чивает большую скорость определения показателя преломления, малый расход исследуемого вещества, что очень важно при работе с дорогостоящими реакти-

вами.

Область применения рефрактометра

Количественный и качественный анализ пищевых продуктов (соки, вина,

джемы, напитки, молоко и молочные продукты, кондитерские и хлебобулочные изделия), химических веществ, нефтепродуктов (содержание ароматических углеводородов, смол, определение анилиновой точки), биологических жидко-

стей (кровь, моча и др.). Применяется в стекольной, пищевой, химической,

фармацевтической промышленности, а также в научно-исследовательских и академических институтах. Те модели рефрактометров, которые снабжены процентной шкалой, могут быть использованы для определения содержания са-

хара в растворах, сиропах и других субстанциях.

Рефрактометр следует эксплуатировать в помещении с кондициониро-

ванным воздухом при температуре от 18 до 25ºС и относительной влажности не более 80%, он прост в обращении и обслуживании, отличается малой массой.

13

Устройство и работа рефрактометра. Оптическая схема

Принцип действия рефрактометра основан на явлении полного внутрен-

него отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Измерения проводят при дневном свете, или при включенном осветителе в проходящем через прозрачную исследуемую среду свете или в отраженном свете, когда исследуемая среда существенно поглощает или рассеивает свет

(мутные или окрашенные среды).

При работе в проходящем свете зеркало 2 (рис. 8) должно быть закрыто, а

свет направляют на осветительную призму 3. Прошедший свет рассеивается на матовой гипотенузной грани призмы 3, входит в исследуемую среду 4 и падает на полированную рабочую грань измерительной призмы 1 в виде множества пучков лучей, идущих под различными углами.

Лучи, идущие под углами ≤90о относительно нормали к рабочей грани измерительной призмы 1, преломляются, проходят призму 1, отражаются от зеркала 16, проходят компенсатор 5, линзу 6 и фокусируются в плоскости пере-

крестия сетки 7 в виде светлого и тёмного полей с резкой границей между ни-

ми, которая соответствует величине предельного угла преломления.

В ту же плоскость сетки 7 и плоскость грани призмы 9 с нанесенной на ней риской с помощью зеркала 10, объектива 11 и призмы 12 проектируется подвижная шкала 15, которая жестко связана с зеркалом 16. Подсветка шкалы

15 осуществляется с помощью поворотного зеркала 14 и светофильтра 13 есте-

ственным светом.

С помощью окуляра 8 наблюдают одновременно положение границы све-

та и тени относительно неподвижного перекрестия сетки 7 и изображение фрагмента шкалы 15 относительно неподвижной риски призмы 9.

Для ахроматизации границы света и тени и для измерений средней дис-

персии исследуемой среды служит компенсатор 5, состоящий из двух призм

14

прямого зрения (призм Амичи). Призмы Амичи могут вращаться вокруг опти-

ческой оси в противоположные стороны.

Рис. 8. Схема оптическая рефрактометра ИРФ-454 Б2М

1-призма измерительная; 2-зеркало; 3-призма осветительная; 4-исследуемая среда; 5-компенсатор; 6-линза склеенная; 7-сетка; 8-окуляр; 9-призма АР-90о; 10-зеркало; 11-объектив; 12-призма; 13-светофильтр; 14-зеркало; 15-шкала; 16зеркало.

Конструкция и назначение рефрактометра портативного

КАРАТ-МТ

15

Назначение прибора: Портативный рефрактометр ИРФ-456 (Карат-МТ) (рис. 7, б) предназначен для непосредственного измерения показателей прелом-

ления жидких и твердых тел. Диапазон измерения показателей 1,3 – 1,5. Цена деления шкалы показателя преломления: 10-3. Предел допускаемой основной погрешности по показателю преломления ± 3,5 10-4 .

Рефрактометры могут применяться:

- в фармацевтической промышленности для исследования водных раство-

ров различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); ново-

каина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%);

магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%) и пр.;

-в медицинских учреждениях для определения белка в моче, сыворотке крови, плотности жидкостей глаза и пр.;

-в пищевой промышленности на сахарных и хлебных заводах, кондитер-

ских фабриках для анализа продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий и пр.

Основную часть прибора составляет разъемный блок, состоящий из двух призм 2 и 1 (рис. 9).

Верхняя призма блока является осветительной. Окно в оправе освети-

тельной призмы предназначено для освещения исследуемых веществ в прохо-

дящем свете. Нижняя призма блока – измерительная, выполнена из специаль-

ных сильно преломляющих стекол.

Луч света проходит через осветительную призму, поступает в жидкость и преломляется на границе ее с измерительной призмой.

Преломленный луч поступает через направляющую призму в зрительную трубку, в которой находится система линз и компенсатор дисперсии призма АМИЧИ, склеенная из трех призм разных сортов стекла и уничтожающая дис-

персию луча света.

По оптической оси зрительной трубы на линзу окуляра нанесено перекре-

стие, с которым совмещается граница света и тени (предельный луч). Совмеще-

16

ние оптической оси с предельным лучом производится поворотом призмы. С

поворачиваемым блоком связано отсчетное устройство рефрактометра.

Рис. 9. Устройство измерительного блока рефрактометра

Измерение показателя преломления (nD)

Установите рефрактометр (рис. 10) на столе окуляром к себе. С правой стороны корпуса 1 расположены маховик 2 для перемещения изображения гра-

ницы света и тени в поле зрения с перекрестием. Маховик 3 (со шкалой) ком-

пенсатора предназначен для устранения окрашенности (дисперсии) границы света и тени. При исследовании неокрашенных сред свет в рефрактометр дол-

жен поступать через окошко осветительной призмы 5. Видимая грань освети-

тельной призмы имеет матовую поверхность.

Для организации освещения воспользуйтесь одним из указанных спосо-

бов: направьте в окошко призмы 1) дневной свет; 2) свет от настольной лампы; 3) свет встроенного осветителя. Если необходимо провести измерения для сред,

сильно поглощающих свет, то необходимо откинуть зеркало 6 подсветки изме-

рительной призмы, а верхнее окошко 5 закрыть. Слева на корпусе закреплено поворотное зеркало подсветки шкалы прибора. Верхняя шкала (цена деления шкалы 5×10-4) покажет значение показателя преломления (nD), нижняя - концен-

трацию сахара в %.

Работать с рефрактометром лучше всего при температуре 20 Со. Для на-

стройки (юстировки) рефрактометра по дистиллированной воде воспользуйтесь данными табл.1. Если величина пятикратных отсчетов для дистиллированной

17

воды (или другого эталона) отличаются более чем на ±5×10-5от стандартного значения, то рефрактометр следует подъюстировать (обратитесь к лаборанту).

Для нанесения исследуемой жидкости на измерительную призму отстег-

ните застежку и отклоните влево осветительную призму. Поверхность призмы

аккуратно промокните мягкой салфеткой, затем, не касаясь призмы, пипет-

кой поместите в центр призмы 1-2 капли исследуемой жидкости. Осторожно опустите осветительную призму и застегните застежку.

Исследуемая жидкость тонким слоем распределится между гранями осве-

тительной и измерительной призм. Медленно вращая маховик 2, установите границу тени и света так, чтобы она прошла через центр перекрестия поля зре-

ния (рис. 11, а).

Рис. 10. Рефрактометр ИРФ-454. Пояснения в тексте

18

Дисперсия границы устраняется плавным вращением маховика 3. С по-

мощью поворотного зеркала осветите шкалу рефрактометра и произведите от-

счет по нужной шкале. Произведите 3÷5 отсчетов и занесите результаты изме-

рений в таблицу. Для смены исследуемой жидкости отстегните застёжку, от-

клоните осветительную призму и аккуратными промокательными движе-

ниями удалите жидкость с призмы.

ВНИМАНИЕ! Избегайте трения салфетки о поверхность призмы при снятии жидкости. Можно проложить между призмами сухую чистую салфетку и дать ненужной жидкости впитаться.

По окончании работы с рефрактометром осторожно удалите исследуемую жидкость и проложите между призмами сухую чистую салфетку, закройте окошки призм, выключите осветитель.

а) б) в)

Рис. 11. Вид поля зрения рефрактометра при исследовании неокрашенных жидкостей. а) – граница раздела установлена правильно (при снятии отсчета по шкале); б) и в) – неправильно.

Рис. 12. Вид поля зрения при исследовании окрашенных жидкостей

19

Рефрактометр лабораторный может быть использован для определения концентрации вещества в растворе. Для этого необходимо провести измерения показателя преломления группы стандартных растворов с известной концен-

трацией растворенного вещества и построить градуировочный график зависи-

мости n=f(C). Затем по графику находят значение показателя преломления для раствора с неизвестной концентрацией.

Для растворов каких веществ можно не строить график, чтобы опреде-

лять концентрацию?

Измерение средней дисперсии

Измерение средней дисперсии следует проводить при естественном ос-

вещении. Измерение осуществляется поворотом одной призмы компенсатора относительно другой маховиком 3 (рис. 10) до полного устранения радужной окраски границы светотени.

Отсчет проводят по шкале, вращающейся вместе с маховиком. Шкала разделена на 120 частей от 0 до 60 в обе стороны. Десятые доли деления отсчи-

тывают по нониусу. При повороте маховика на 360о окрашенность границы светотени устраняется дважды. При измерении средней дисперсии nF-nC прово-

дят не менее пяти отсчетов с двух сторон и берут среднее арифметическое зна-

чение этих отсчетов Z. Используя полученные значения Z и показателя прелом-

ления измеряемого вещества по таблицам 2, 3 и 4 находят величину средней дисперсии nF-nC.

По таблице 2, для измеренного значения показателя преломления nD, на-

ходят коэффициенты А и В. Так как значения nD в таблице даны через 0,01 то величины А и В для промежуточных значений определяют интерполяцией с помощью пропорциональных величин, указанных в таблице 3.

По таблице 4 для полученного значения Z находят величину σ.

Для промежуточных значений Z определяют величину σ интерполяцией,

пользуясь пропорциональными величинами, указанными в таблице 3.

20

Необходимо учитывать, что при значении Z больше 30 величина σ при-

нимает отрицательное значение.

По найденным значениям А, В и σ вычисляют значение средней диспер-

сии nF-nC=А+В×σ

Применение рефрактометрии в фармации

Показатель преломления вещества зависит от нескольких факторов: при-

роды вещества, концентрации раствора, температуры; длины волны света. Если рассматривается показатель преломления раствора, то учитывается также зави-

симость от природы растворителя.

Определение показателя преломления проводят при температуре 20 С и длине волны линии D спектра соответствующего парам натрия λ=589,3 нм. По-

казатель преломления обозначают индексом – .

Влияние температуры в рефрактометрии исключают, термостатируя призменные блоки, имеющие водные рубашки. Исследуемый раствор, раство-

ритель и рефрактометр должны находиться в течение 30-40 мин в условиях одинаковой температуры. При температурах, отличающихся от 20 С на 5–7 С,

можно не термостатировать призмы рефрактометра, а при расчетах вводить по-

правку по формуле:

где nТ – показатель преломления при температуре измерения; n20 – пока-

затель преломления при 20 С; Т – температура, при которой производят изме-

рения показателя преломления.

Рефрактометрический метод в фармацевтическом анализе применяется для установления подлинности (идентификации) лекарственных веществ; оцен-

ки чистоты лекарственных веществ; определения концентраций лекарственных веществ в растворах и настойках.

Определение концентрации растворов проводят следующими способами: